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Starlink系统分析及对我国卫星互联网发展的启示

卫星与网络 | 483 2022-07-11 02:44 0 0 0
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Starlink系统分析及对我国卫星互联网发展的启示

文 | 肖永伟,张伟嘉,庞策,朱紫嫄(中国电子科技集团公司第五十四研究所)

摘要:

一方面,对Starlink系统的发展历程进行了系统性总结,包括星座规划、卫星迭代、地面关口站部署、小型化终端演进等;并针对星座大规模部署的需求和能力、星间组网能力、潜在导航定位能力等进行了较深入分析;并总结Starlink系统及类似低轨卫星互联网系统的关键共性特点。另一方面,基于对Starlink系统的全面分析思考,给出了我国低轨卫星互联网研制建设需要守正创新、技术路线选择要适合我国技术基础、研制过程要规避技术外泄带来的潜在安全风险等三点启示,希望能为我国类似系统或项目实施提供些许参考和借鉴。


1、引言


相对GEO卫星通信,低轨卫星通信具有以下特点[1-3]:(1)为提供稳定的通信服务,一般采用星座部署,对于Ku、Ka等高频段系统而言,星座规模更大。(2)由于低轨卫星轨道高度低,星地距离变短,链路损耗小、通信时延短,可提升地面终端传输能力,也有利于提升应用服务体验。

2010年后,基于宽带互联网应用推动和商业航天技术成熟发展,以Ku、Ka频段为主的低轨卫星通信系统发展迅速。国外先后推出了OneWeb、Starlink、Telesat等系统,定位为提供全球宽带互联网接入服务,被业界称为卫星互联网,其本质是低轨卫星通信技术与互联网应用结合的产物,其中Starlink的发展最引人关注的。

Starlink是SpaceX公司2015年提出的一个低轨卫星互联网系统,目标是完成超万颗的低轨卫星部署,提供覆盖全球的高速互联网接入服务。从2019年5月开始,Starlink星座建设进入快车道,仅2020年就完成近千颗Starlink卫星研制生产和14次发射,实现了卫星批量化制造与高频次发射;2022年5月,24小时连续进行2次发射,将106颗Starlink卫星送入太空。地面终端方面,2020年7月,SpaceX公司推出第一代自动跟星的小型化低成本Ku频段Starlink地面终端,系统进入试运行。Starlink的发展过程颠覆了人们对传统卫星制造、卫星发射、卫星通信应用的认识。2022年,Starlink在俄乌冲突中不俗的应用表现,更是成为卫星互联网关注和研究的热点。


2、Starlink发展及系统概况


(1)发展历程回顾

2015年,SpaceX公司提出大规模巨型星座计划,目标是为美国以及全球的消费者提供高速、低时延宽带接入服务。2017年9月,SpaceX公司注册“Starlink”商标。

2018年2月,SpaceX公司将2颗原型试验卫星送入预定轨道,开展演示验证。

2018年3月、11月,Starlink第一代LEO星座、VLEO星座计划先后获得FCC批准,可以在美国开展服务。

2019年,SpaceX公司先后将第一批V0.9版本卫星、第一批V1.0版本卫星送入预定轨道。开始第一个轨道层(壳层1)部署。

2020年7月,SpaceX公司推出第一代小型化地面终端,在北美地区启动系统公测。

图1 Starlink发展历程及关键点


2021年,SpaceX公司完成LEO星座第一个轨道层部署,开始正式营运,主要面向固定用户提供卫星互联网接入服务。同年,根据星座规划,SpaceX公司基于V1.5版本卫星(带星间激光链路)启动第二个轨道层(壳层4)部署。

2022年5月,在根据用户注册地理位置提供服务的基础上,面向房车、露营车或其他类型休闲车(RV)的客户,Starlink系统推出房车版(Starlink for RVs)服务,在Starlink地面终端地理位置发生变化后,还支持继续提供服务。

截止2022年5月底,SpaceX公司对外宣称已在全球36个国家/地区可以实现业务落地,提供互联网接入服务,马斯克声称全球拥有超过40万用户。并计划2023年将服务扩展到亚洲、非洲和中东地区。

图2 Starlink系统有效服务区示意


(2)星座规划

根据SpaceX公司提交的网络资料来看,规划了2代Starlink星座,Starlink Gen1和Starlink Gen2[11]

Starlink Gen1:2016年11月和2017年3月,SpaceX公司先后向美国联邦通信委员会(FCC)提交LEO星座申请、V频段LEO星座的申请,分别称为LEO星座和VLEO星座。2018年,FCC先后批准了SpaceX公司的LEO星座、VLEO星座的申请。也称为Starlink Gen1。

SpaceX公司对Starlink Gen1的LEO星座网络资料进行3次修订,涉及轨道高度、轨道倾角、轨道数量及每轨道卫星数量等参数,特点是轨道高度更低,分布在540km到560km的4个高度的5个轨道壳层(Orbital Shell)上。截止到2021年5月底,基于V0.9版及V1.0版Starlink卫星,SpaceX公司完成550km轨道高度的第一个轨道层部署。2021年9月,基于V1.5版Starlink卫星,启动540km轨道高度的轨道层部署。

表1 Starlink Gen1的LEO星座参数


2020年5月向FCC提交第二代Starlink星座Starlink Gen2网络的申请,该网络资料共计30000颗卫星,分布在328km~614km轨道高度的75个轨道面上。

(3)卫星迭代演进

从原型试验星到2022年5月在轨最新的V1.5版本,在3年7个月的时间内,Starlink卫星已经完成4次迭代演进。

原型试验卫星(MicroSat2A、2B)采用箱体设计,重量约400kg,配置了Ku频段相控阵天线载荷,支持开展星地宽带体制的测试,下行高达1440Mbps,上行高达720Mbps。2颗原型试验卫星(MicroSat2A、2B)于2018年2月发射。V0.9版卫星采用新型平板式结构设计,重量约227kg,搭载1副太阳能电池阵列、4副Ku频段相控阵天线。总裁兼首席运营官肖特维尔称,V0.9版Starlink卫星非常接近最终设计,但仍然是项目的试验品,将测试如何将这些卫星部署到轨道上。V0.9版卫星于2019年5月首次成功发射。V1.0版卫星主要在V0.9版卫星的基础上增加了Ka频段星地通信能力,每颗卫星重量提高到260kg。V1.0版卫星于2019年11月首次成功发射。

V1.5版卫星主要在V1.0版卫星的基础上增加了星间激光链路载荷,每颗卫星重量提高到295kg。该卫星将支撑Starlink系统形成空间组网能力,面向Starlink地面终端提供宽带卫星互联网接入服务时,就不必要求Starlink地面终端与地面关口站位于同一卫星覆盖区内。

2022年6月,马斯克在参加节目时透露,SpaceX已生产出第一颗V2.0版卫星,卫星长约7米、重量约1250kg,V2.0版卫星通信能力比V1.0版卫星高出10倍。除通信能力提升外,更大的V2.0版卫星和空间组网能力,为拓展其他信息服务提供了一个更大基础平台。

图3 Starlink卫星迭代演进过程


(4)地面关口站部署及服务范围

地面关口站也称为网关站、信关站等,是Starlink地面终端到地面互联网接入的核心节点。典型的Starlink地面关口站工作在Ka频段,配置8个1.52m口径天线。Starlink地面关口站中通常部署用于链路控制用的地面终端,检查给定地区在给定天气条件下网络使用何种编码调制方式。

图4 Starlink地面关口站


在V1.5版Starlink卫星星间链路激活之前,Starlink对外提供服务的区域主要与地面关口站部署位置有关,地面终端必须与地面关口站同时位于Starlink卫星覆盖范围内才能实现卫星互联网接入。

图5 Starlink系统卫星互联网接入示意


2022年3月,在俄乌冲突期间,马斯克回应了乌克兰请求,为其提供了Starlink服务[9-10]。乌克兰尚未部署地面关口站,根据Starlink地面关口站部署和在轨卫星情况分析,Starlink主要依托距离乌克兰最近的立陶宛Kaunas关口站、波兰Wola Krobowska关口站、土耳其Muallim关口站为乌克兰提供互联网接入服务。按照地面终端仰角工作[11],三个关口站基本上可为乌克兰全境服务。

(5)小型化地面终端设计

2020年7月,SpaceX公司完成第一代圆形相控阵Starlink地面终端研制,工作在Ku频段,根据Starlink官网公布信息,一代Starlink地面终端直径58.9cm,重量7.3kg。

2021年11月,完成2型第二代矩形相控阵Starlink地面终端研制[12]。其中一型为能力增强地面终端,尺寸为57cm×51cm,重量7.2kg;还有一型小型化地面终端,尺寸为50cm×30cm,重量4.2kg。

从天线射频到基带及协议处理,Starlink地面终端采用了芯片化设计与实现方案,降低了终端整机功耗和生产成本,也实现了小型化,为Starlink系统产业化及大规模应用铺平了道路。

图6 Starlink地面终端外形图


相对GEO卫星通信系统,低轨卫星互联网地面终端的设计与实现需要解决2个难题,一是针对低轨卫星高动态运动特点,Ku频段地面终端必须具备类似“动中通”的卫星跟踪能力;二是为保证低轨卫星运动过程中的连续服务,地面终端必须具备支持跨星切换的波束指向快速调整能力,为实现切换过程中的业务连续性,波束指向调整时间应控制在us量级甚至更低。

图7 低轨卫星互联网地面终端跨星切换示意


Starlink地面终端采用了机械与相控阵电扫结合的波束跟踪技术,解决了上述2个难题。从公开资料分析,基于机械调整能力,Starlink地面终端开机后可根据地理位置自动将阵面调整到合适的方位和仰角;基于相控阵天线波束快速指向调整能力,在相控阵阵面电扫覆盖范围内,实现对卫星的精确指向跟踪和跨星切换下的波束指向快速调整。

从Starlink地面终端公开使用情况来看,在正常工作状态,天线阵面稳定在一个方向,主要靠相控阵电扫波束跟踪对应方向的卫星,不需要机械伺服跟踪。该设计方案充分结合了星座规模大、卫星多的特点,规避了全空域跟星对天线设计带来的实现复杂度,在不降低地面终端能力的前提下,降低了Starlink地面终端的重量体积和功耗。可以看出Starlink地面终端低成本设计也与Starlink系统设计密切相关。


3、Starlink系统特点分析


(1)星座规模巨大,轨道层数多、卫星数量多

首先星座卫星数量规模巨大是高频段低轨卫星互联网实现全球服务的客观要求。Starlink用户链路工作在Ku频段,频段高,单波束覆盖区域小,要在全球范围为更多区域和更多用户提供服务,需要配置更多的卫星。与工作在L频段Iridium系统对比,工作在Ku频段Starlink卫星单波束的星下点地表覆盖波束直径约30km,Iridium星单波束的星下点地表覆盖波束直径约400km,单波束地表覆盖面积不到Iridium星1/100。而且Starlink轨道更低,部署更多卫星是其提高服务覆盖性的必需。

其次系统设计优化对卫星数量提出了要求。Starlink卫星和地面终端均采用相控阵天线,相控阵天线波束偏离阵面法向的角度越大,扫描损失越大。根据仿真及实测数据,偏离法向60度时损失约6dB。卫星数量增加,可以降低星载相控阵天线和地面终端的波束扫描角度,有利于提高卫星及地面终端的相控阵天线功率效率,从而降低天线的功耗及重量。如下图所示,由于卫星数量的增加,星地链路传输距离变短,地面终端在高仰角工作,天线增益提升,提高了系统传输能力。

图8 不同卫星规模下的地面终端波束扫描角度对比


第三,星座卫星数量规模巨大有利于提高系统弹性抗毁能力。卫星数量多、高动态运动、全球可达,天然具备弹性抗毁能力;基于Ku点波束和强方向性,更多卫星有利于提高干扰规避的能力。在俄乌冲突期间,冲突地区附近一些Starlink地面终端被堵塞了几个小时,Starlink在一天内通过软件更新绕过了干扰。这可能也得益于Starlink更多的卫星数量,地面终端检测到干扰后,可快速调整天线阵面方向或波束指向,从当前空域的卫星切换到其它空域的卫星,规避干扰信号的堵塞。

图8 多星覆盖下的干扰规避示意


在卫星确定和地面区域确定的情况下,对Starlink系统及类似低轨卫星互联网上下行链路实施信号干扰,从理论上分析来看比较容易实施的,但实际操作存在一定的难度。Starlink系统上下行链路均采用较窄的点波束工作,要达到理想的干扰效果,需要获取地面终端位置、地面终端正在使用的卫星、上下行链路工作频段等信息。由于低轨卫星高动态运动特性,这些信息是在不断变化的,而且变化周期比较短(按照轨道高度计算,基本上3分钟左右),如果不能近实时获取有效信息,就需要增加干扰设备的数量,同时对可视范围不同方向的卫星进行干扰,才能达到一定的干扰效果。

(2)支持星间组网,具备扁平化互联组网和跨境互联网接入

2021年9月,SpaceX公司基于Starlink的V1.5版本卫星开始部署540km高度的轨道层,截止到2022年5月底,已完成50%的卫星部署。Starlink的V1.5版本卫星配置了星间激光链路,部署完毕后,Starlink将具备星间组网能力。

根据Starlink公开展示的星间组网资料分析,Starlink具备星间组网能力后,将实现不依赖地面关口站的地面终端之间网络化直接互联,达到最佳的访问延迟与传输速率。符合军事应用对通信网络弹性抗毁扁平化组网的需求。另外相对地面光纤网络,星间无线激光传播速度是有线光纤传播速度的1.5倍,同样的传输距离,基于卫星网络空间传输的时延更短。

图9 基于星间组网的扁平化互联组网架构


Starlink具备星间组网后,在全球范围,可为区域应急通信提供快速解决方案,不需要考虑本地关口站的部署,有助于业务快速开通运营和快速占领市场。

图10 基于星间组网的Starlink互联网接入服务架构


(3)系统设计具备全球导航定位的潜在能力

根据卫星导航定位三球交会原理,地面终端同时可见4颗卫星即可实现定位。

根据表1中Starlink Gen1的LEO星座参数,在星座部署完成后,全球范围任意区域可视卫星基本保持在10颗以上,具备导航定位的基础条件。2021年,美国俄亥俄州立大学研究人员基于6颗Starlink卫星信号,主要是利用位置和速度信息,实现7.7米的定位精度。从理论和试验结果来看,Starlink系统是可以完成导航定位的。

与传统MEO星座的L频段卫星导航相比,基于Starlink实现导航定位具备较强的抗干扰性能。一是Starlink卫星轨道更低,通信信号落地功率要高出2个数量级;二是通信信号工作在Ku频段,地面终端工作波束窄,方向性较强。

基于Starlink实现真正的导航定位还要解决地面终端多波束的问题。按照一般卫星通信地面终端设计思路,从降低成本和功耗考虑,当前Starlink地面终端应该只需要配置一个接收波束和一个接收通道,指向1颗卫星工作。如果导航定位要求同时接收4颗及以上数量的卫星下行信号,针对工作在Ku频段窄波束的地面终端,就需要配置多个接收波束和多个接收通道。但这样设计不利于地面终端SWaP(体积重量和功耗)值和成本降低。根据导航定位对地面终端的配置要求,如果基于Starlink开展导航定位服务,主要应用对象应该是对抗干扰有较高要求的军方用户或特种用户。

图11 面向导航定位的Starlink地面终端多星接收示意


(4)Starlink系统特点小结

一是星座规模巨大,轨道层数多、卫星数量多,有利于提高系统的弹性抗毁能力;二是更低轨道高度结合扁平化互联组网能力,可以实现更低的端到端传输时延;三是具备终端小型化大带宽传输的能力,能提供100Mbps量级的大带宽传输;四是全球范围任意区域可视卫星基本保持在10颗以上,具备导航定位的基础条件。

根据Starlink系统的特点可以看出,其在扁平化组网、低时延、大带宽、潜在导航定位能力等方面的突出特点,面向军事应用的潜力和价值巨大。


4、Starlink发展的几点启示


研究Starlink发展,并结合在低轨卫星通信方面的工作经历,从构建我国类似低轨卫星互联网系统的角度出发,谈以下三点启示。

(1)从技术试验到完成一个可用系统研制,技术上需要持之以恒,才能守正创新。

研究Starlink发展可以看出,今天的Starlink并不是一步建成的。从2018年3月的2颗原型试验卫星发射,到大规模生产的V0.9版本、V1.0版本卫星,经历了15个月;从无星间激光链路的V1.0版本到V1.5版本卫星,经历22个月。地面终端方面,从2颗原型试验卫星在轨试验开始,到2020年7月完成第一代批量化地面终端,经历28个月,实现低成本小型化。国内开展低轨通信卫星在轨试验,在时间上并不比Starlink落后,但我们目前还处于试验阶段。低轨卫星互联网技术复杂,技术上需要持之以恒,才能守正创新。

(2)面向工程建设,技术路线选择要与技术基础相适应。

工程建设是有时间周期约束的,对于卫星互联网这样复杂的系统工程,一定要从全局的角度去选择技术路线[3-4],避免短板,影响工程按计划实施。在当前适应空间环境的高性能芯片短缺的情况下,对于完全星上处理交换的低轨星座通信系统,要考虑星载处理载荷实现的难度和代价,选择什么样的星地链路体制就显得极其重要[5]。如果技术路线选择超出我们的技术基础和基础能力,将直接影响工程实现的代价、系统研制建设的进度和成败;特别是有些基础技术,短时间内并不是总能用钱去解决的。

(3)卫星互联网设计与研制过程要规避标准公开带来的潜在安全风险。

Starlink技术体制保密性做的非常好,目前几乎见不到Starlink星地链路体制、星间组网协议的公开报道或资料,仅仅说采用专用网络协议,支持扁平化低时延端到端互联;还有Iridium系统,至今不能搜索到星间组网协议相关技术文档。卫星通信包括低轨卫星互联网,有很强的军民共用基础设施属性,相关设计文档、技术体制规范等不加控制的扩散,存在被对手实施网络攻击的潜在隐患。我国在设计和研制类似系统的过程中,需要重视标准公开可能导致的技术外泄风险,避免系统成为对手轻松攻击的目标。


5、结束语


近年来,国内发射低轨通信试验卫星及发布星座建设规划的新闻报道时见网络和报端,如2014年发射的灵巧通信试验卫星[7]、2018年发射的虹云工程首发星[14]、2018年发射的鸿雁星座首科试验卫星[8]、2019年发射的银河航天首发星[6]、2019年发射的天地一体化信息网络重大项目组网双星、2022年5月又有三颗通信试验卫星发射[13]等。一方面反映出我国发展低轨星座或低轨卫星互联网基本成为共识,必须要发展;一方面我们也要对卫星互联网发展面临的技术难题有个清醒认识。低轨卫星互联网是个复杂的系统工程,需要深厚的技术积累才能逐步突破,国内发射的单颗或多颗试验卫星仅仅解决了其中的点或面,距离系统建设及规模化应用还存在诸多技术难题。完成一个可用的卫星互联网系统研制建设,一是需要统筹利用好国内各方面优势资源,拧成一股绳,形成整体优势;二是项目组织者需要建立清晰的投入和产出机制,激励各创新主体能够全心全意的投入。在卫星互联网研制建设上,去除浮躁、保持科研定力、持之以恒,才能实现量的积累到质的飞跃。

参考文献

[1] 孙晨华,章劲松,赵伟松,肖永伟.高低轨宽带卫星通信系统特点对比分析[J].无线电通信技术,2020,46(05):505-510.

[2] 肖永伟,孙晨华,赵伟松.低轨通信星座发展的思考[J].国际太空,2018(11):24-32.

[3] 孙晨华,庞策.低轨卫星互联网体系和技术体制研究发展路线思考[J].无线电通信技术,2021,47(05):521-527.

[4] 曾宪奎.新发展格局下加快推进新型举国体制探索[J].宁夏社会科学,2022(02):89-96.

[5] 宋维嘉.攻克“卡脖子”技术应重视战略和策略[Z/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/XYlLzlJJpWu0HXBDBrBglQ, 2022-06-08

[6] 银河航天.银河航天首发星来了,通信能力达10Gbps[Z/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/WxdWR9b3OA5AYBpaWB2ayA, 2019-12-13

[7] 卫星届.“灵巧”将开启中国“铱星”时代[Z/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/4nGDTSweeE2WYvTonNFq4w, 2014-10-27

[8] 陈钧 唐璨. 鸿雁星座首颗试验卫星“重庆号”发射成功[Z/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/ndCTL35EcEGtJUKOPxEN2A, 2018-12-30

[9] 朱玉龙. 浅析星链Starlink的现实意义:马斯克到底想要做什么?[Z/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/F-OMGsoG_EAp_IOf_DQwXg, 2022-03-10

[10] 电科小氙, Starlink每日为约15万乌克兰人提供互联网服务 [Z/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/LmEcWlQdRRwTnOIrxS-zJQ, 2022-05-06 

[11] Carlos Placido. NSR White Paper: Capabilities and Limitations of NonGEO Constellations.[R/OL]. https://www.nsr.com/wp-content/uploads/2022/01/NSR-White-Paper-Capabilities-and-Limitations-of-Non-GEO-Constellations.pdf,2022-01-06

[12] 金磊. 马斯克大力推荐Starlink新品:价格更高,网速更慢? [Z/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/TRWh3In5xpDx1bqouEyEbw, 2022-05-24

[13] 我们的太空. 我国成功发射3颗低轨通信试验卫星[Z/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/H7KWQtPwKNkcka1cyktauA,2022-05-20

[14] 陈静.虹云工程首星[J].卫星应用,2019(03):77.


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